DE102020206576A1 - Elektrolysezelle, Verfahren zum Betrieb einer solchen Zelle und Elektrolyseur - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, umfassend eine Kathodenhalbzelle 2 mit einer Kathode 10, eine Anodenhalbzelle 3 mit einer Anode 11, und einen die beiden Halbzellen 2, 3 voneinander trennenden Separator 9, der für einen im Betriebszustand in den Halbzellen 2, 3 befindlichen Elektrolyten 8 permeabel ausgebildet ist, wobei in einer ersten 2 der beiden Halbzellen 2, 3 mindestens ein Einlass 4 für Elektrolyt 8 und in der zweiten Halbzelle 3 zumindest ein Auslass 7 für Elektrolyt 8 und kein Einlass für Elektrolyt 8 vorgesehen ist, so dass über den mindestens einen Einlass 4 zugeführter Elektrolyt 8 nach Durchtreten des Separators 9 über den mindestens einen Auslass 7 abführbar ist.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Elektrolysezelle sowie einen Elektrolyseur, der eine Vielzahl solcher Elektrolysezellen umfasst.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, umfassend eine Kathodenhalbzelle mit einer Kathode, eine Anodenhalbzelle mit einer Anode, und einen die beiden Halbzellen voneinander trennenden Separator, der für einen im Betriebszustand in den Halbzellen befindlichen Elektrolyten permeabel ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Elektrolysezelle sowie einen Elektrolyseur, der eine Vielzahl solcher Elektrolysezellen umfasst.
• Klassischerweise verfügen Elektrolyseure über einen Anolyt- beziehungsweise Katholytkreislauf, wobei jede Halbzelle über einen Elektrolyteinlass sowie einen Elektrolytauslass verfügt. Solche - beispielsweise aus US 4,285,795 vorbekannte - Konfigurationen gehen mit einem erheblichen Aufwand hinsichtlich der Bereitstellung von Rohrleitungen, Vorratsbehältern, Pumpen und Instrumenten einher.
• Zudem fließen zwischen elektrisch in Reihe geschalteten Elektrolysezellen, die über gegenseitige Elektrolytein- bzw. Auslässe miteinander verbunden sind, unerwünschte Streuströme über den Elektrolyten. Durch solche Streuströme werden nicht nur unerwünschte Sekundärreaktionen hervorgerufen, sondern gehen die Streuströme insbesondere mit einer Absenkung der Effizienz der Elektrolyse einher. Ferner ist bekannt, dass Streuströme zu einer unerwünschten Korrosion und damit Verringerung der Lebensdauer der Elektrolysezellen beitragen.
• Eine Verringerung von Streuströmen kann herbeigeführt werden, indem die Querschnitte der Ein- und Auslässe der Elektrolyten verringert werden, wobei dieser Ansatz aus Gründen der Notwendigkeit der Erreichung eines Mindest-Elektrolytvolumenstroms nur begrenzt verfolgt werden kann. Alternativ ist bekannt, zur Verringerung der Streuströme die Länge der Ein- und Auslässe der Elektrolyten zu erhöhen. Zwar geht dies mit dem Vorteil der Vergrößerung des elektrischen Widerstands und somit der Verringerung der Streuströme aber auch mit einer Erhöhung des Platzbedarfs sowie der Kosten einher.
• Ausgehend von dem vorbeschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolysezelle vorzuschlagen, die es erlaubt, den Platzbedarf und die Herstellungskosten zu reduzieren und gleichzeitig die Streuströme und damit die Betriebskosten zu verringern sowie eine Serienschaltung von Zellen ermöglicht.
• Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine eingangs genannte gattungsgemäße Elektrolysezelle, wobei die Elektrolysezelle zur Durchführung einer Wasserelektrolyse geeignet ist und in einer ersten der beiden Halbzellen mindestens ein Einlass für Elektrolyt und in der zweiten Halbzelle zumindest ein Auslass für Elektrolyt und kein Einlass für Elektrolyt vorgesehen ist, so dass über den mindestens einen Einlass zugeführter Elektrolyt nach Durchtreten des Separators über den mindestens einen Auslass abführbar ist.
• Ferner wird die Aufgabe verfahrenstechnisch erfindungsgemäß durch ein eingangs genanntes gattungsgemäße Verfahren gelöst, die Elektrolysezelle eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle ist, welches Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
• - Anschließen des mindestens einen Elektrolyteinlasses und des mindestens einen Elektrolytauslasses an einen Elektrolytkreislauf, der über den permeablen Separator geschlossen ist, und Füllen der beiden Halbzellen mit Elektrolyt,
• - Starten eines Elektrolysevorgangs durch Schließen eines elektrischen Stromkreises über Kathode und Anode der Elektrolysezelle sowie einer externen Stromquelle,
• - Abführen von in den Halbzellen entstehendem Produktgas, während des Elektrolysevorgangs,
• - Beaufschlagen der ersten Halbzellen mit einem Überdruck verglichen mit der zweiten Halbzelle während des Elektrolysevorgangs, um das Durchtreten des Elektrolyten durch den Separator zu fördern.
• Eine solche Elektrolysezelle weist eine Kathodenhalbzelle mit einer Kathode und eine Anodenhalbzelle mit einer Anode auf. Beide Halbzellen sind mit einem Separator voneinander getrennt, welcher für einen im Betriebszustand in den Halbzellen befindlichen Elektrolyten permeabel ausgebildet ist und zur Trennung der bei der Elektrolyse entstehenden Gase, welche bei der Wasserelektrolyse zu einer unerwünschten Knallgasexplosion führen könnte, vorgesehen ist. Das besondere Kennzeichen dieser Elektrolysezelle besteht darin, dass in einer ersten der beiden Halbzellen mindestens ein Einlass für Elektrolyt - als Einlass im Sinne der Erfindung ist eine Zuführung unverbrauchten, also aufbereiteten Elektrolyts zu verstehen - und in der zweiten Halbzelle zumindest ein Auslass für (verbrauchten) Elektrolyt und kein Einlass für Elektrolyt vorgesehen ist. So wird über den mindestens einen Einlass zugeführter Elektrolyt nach Durchtreten des Separators über den mindestens einen Auslass abführbar. Auf vorteilhafte Art und Weise wird hierdurch nicht nur ein erheblicher Aufwand für die Peripherie, wie Rohrleitungen, Vorratsbehälter, Pumpen und Instrumente, vermieden, sondern hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass durch diese Maßnahme Streuströme erheblich gesenkt werden können. Dieses resultiert nicht nur in einer höheren Effizienz und damit Wirtschaftlichkeit der jeweiligen Elektrolysezelle, sondern erhöht auch die Lebensdauer derselben, da unerwünschte Korrosionsprozesse und Sekundärreaktionen signifikant verringert werden können.
• In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle ist in der ersten und/oder in der zweiten Halbzelle ein Gasabscheider zur Abscheidung eines Produktgases vom Elektrolyten angeordnet. Dieser Gasabscheider ist dabei an eine Elektrolytrückführung angeschlossen, mittels derer in den Gasabscheider eingetretener Elektrolyt in die jeweilige Halbzelle zurückführbar ist. Der Eintritt von Elektrolyt in den Gasabscheider geschieht vornehmlich durch die bei der Elektrolyse entstehenden Produktgase, die Elektrolyt als Tröpfchenströmung mitschleppen, welcher Elektrolyt durch Rückführung aus dem Gasabscheider, in dem der Elektrolyt von dem erzeugten Produktgas getrennt wird, zurückzugewinnen ist.
• Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist diese Rückführung halbzellenintern oder halbzellenextern verlaufend ausgeführt. Während bei einer halbzelleninternen Rückführung der in dem Gasabscheider zurückgewonnene Elektrolyt durch eine Leitung innerhalb der Halbzelle zurück zum Elektrolytreservoir geleitet wird, zeichnet sich eine halbzellenexterne Rückführung dadurch aus, dass der Elektrolyt durch eine Rohrleitung zunächst aus der Halbzelle beziehungsweise dem Gasabscheider austritt und im Anschluss entweder an den bereits vorhandenen Elektrolyteinlass angekoppelt wird oder einen zweiten Elektrolyteinlass für die erste Halbzeile bildet. Besonders bevorzugt bezüglich der Einsparung von Platzbedarf ist eine halbzelleninterne Rückführung, während die halbzellenexterne Rückführung den Vorteil der geringeren Beeinflussung der Prozesse innerhalb der Halbzelle, beispielsweise des Produktgasaufstiegs, aufweist.
• Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle ist zur Durchführung einer Wasserelektrolyse geeignet. In einer solchen Konfiguration konnte eine besondere Absenkung der Streuströme beobachtet werden, was in Anbetracht der zunehmenden Bedeutung der Wasserelektrolyse besonders vorteilhaft ist. Neben der Wasserelektrolyse sind als Anwendungsfälle auch weitere die Elektrolysearten möglich, insbesondere die von Salzsäure (HCl). Dabei kann zur Produktion von Wasserstoff und Chlor aus HCl als gemeinsamer Elektrolyt beispielsweise Wasser - zu dem beispielsweise Säuren oder Laugen zugesetzt sein können - zum Einsatz kommen.
• Praktischerweise sind die erfindungsgemäßen Elektrolysezellen zu einer Vielzahl elektrisch in Reihe und in einem Elektrolytkreislauf hydraulisch parallel geschalteter Elektrolysezellen zusammengefasst, so dass eine wirtschaftlich relevante Menge an Produktgasen erzeugt werden kann.
• Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle, umfassend die folgenden Schritte:
• - Anschließen des mindestens einen Elektrolyteinlasses und des mindestens einen Elektrolytauslasses an einen Elektrolytkreislauf, der über den permeablen Separator geschlossen ist, und Füllen der beiden Halbzellen mit Elektrolyt,
• - Starten eines Elektrolysevorgangs durch Schließen eines elektrischen Stromkreises über Kathode und Anode der Elektrolysezelle, sowie einer externen Stromquelle,
• - Abführen von in den Halbzellen entstehendem Produktgas, während des Elektrolysevorgangs,
• - Beaufschlagen der ersten Halbzellen mit einem Überdruck verglichen mit der zweiten Halbzelle während des Elektrolysevorgangs, um das Durchtreten des Elektrolyten durch den Separator zu fördern.
• Dabei hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn in der einen Halbzelle, bei der Wasserelektrolyse bevorzugt die Kathodenhalbzelle, ein Überdruck bezüglich der anderen Halbzelle vorherrscht. Hierdurch wird das Durchtreten des Elektrolyten durch den Separator gefördert, so dass die Elektrolyse mit einem höheren Durchsatz durchgeführt werden kann.
• In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der in den oder die Gasabscheider eingetretene Elektrolyt in die jeweilige Halbzelle zurückgeführt, so dass hierdurch der Elektrolytverbrauch in nicht unerheblicher Weise abgesenkt werden kann.
• Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren.
• Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigt:
• 1: Eine schematische Darstellung einer vorbekannten Elektrolysezelle mit einem Elektrolytein- und Auslass je Halbzelle und einem permeablen Separator,
• 2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle mit einem Elektrolytein- und Auslass je Elektrolysezelle und einem für den Elektrolyten permeablen Separator,
• 3: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle mit einer internen Rückführung des in dem Gasabscheider zurückgewonnenen Elektrolyten und
• 4: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle mit einer externen Rückführung des in dem Gasabscheider zurückgewonnenen Elektrolyten.
• In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt beziehungsweise erwähnt.
• In 1 ist eine klassische Elektrolysezelle gezeigt, die über einen Anolyt- und einen Katholytkreislauf verfügt, also je Halbzelle einen Ein- und Auslass aufweist. Der permeable Separator trennt die beiden Halbzellen voneinander, wobei dieser permeabel für Ionen ist, um den Stromkreis zu schließen. Im Rahmen der Elektrolyse steigen Produktgase auf und schleppen Tröpfchen des Elektrolyten mit, wobei in den Gasabscheidern eine Trennung der jeweiligen Elektrolyten von den jeweiligen Produktgasen erfolgt.
• Eine in 1 gezeigt Elektrolysezelle 1 weist zwei Elektrolytkreisläufe - je Halbzelle 2, 3 einen - mit insgesamt vier Rohrleitungen für Einlässe 4, 5 beziehungsweise Auslässe 6, 7 für aufbereiteten beziehungsweise verbrauchten Elektrolyten 8 auf. Dieses resultiert in einem hohen Maß an verfahrenstechnischem Aufwand, insbesondere der Installation von Rohrleitungen. Hierdurch werden nicht nur die Herstellungskosten und die Komplexität der Anlage in die Höhe getrieben, sondern verursacht die Vielzahl der Rohrleitungen auch ein hohes Maß an die Effizienz der Elektrolysezelle herabsetzenden Streuströmen, welche zudem zu unerwünschter Korrosion führen.
• Eine in 2 dargestellte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle 1 umfasst einen für Elektrolyt 8 durchlässigen Separator 9, sowie in der ersten der beiden Halbzellen 2 neben einer Elektrode 10 einen Einlass für Elektrolyt 4 und in der zweiten Halbzelle 3 neben einer Elektrode 11 zumindest einen Auslass 7 für Elektrolyt 8 und keinen Einlass für Elektrolyt 8. Damit wird über den einen Einlass 4 zugeführter Elektrolyt 8 nach Durchtreten des Separators 9 über den mindestens einen Auslass 7 abführbar. Damit ist bezüglich der vorbekannten Elektrolysezelle 1 die Funktion des Auslasses 6 der einen Halbzelle 2 und die Funktion des Einlasses 5 der anderen Halbzelle 3 durch die für Elektrolyt 8 durchlässige Separators 9 übernommen worden.
• Hierdurch wird nicht nur die Anzahl der Elektrolytkreisläufe beziehungsweise der erforderlichen Rohrleitungen signifikant abgesenkt, sondern wird damit eine Verringerung der Streuströme erreicht. Dies wiederum führt vorteilhafterweise zu einer Verringerung von Sekundärreaktionen und Korrosion.
• Bei der in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Elektrolysezelle 1 wird die erste Halbzelle 2 mit einem Überdruck verglichen mit der zweiten Halbzelle während des Elektrolysevorgangs beaufschlagt, um das Durchtreten des Elektrolyten 8 durch den Separator 9 zu fördern. Hierdurch wird der Durchsatz der Elektrolysezelle 1 signifikant bezüglich einer nicht durch die Druckverhältnisse in den Halbzellen 2, 3 angetriebenen Durchströmung des Separators 9 mit Elektrolyt 8 angehoben. Zudem ist durch den für Elektrolyt 8 permeablen Separator 9 eine Separierung der unterschiedlichen Produktgase garantiert, was beispielsweise bei der Wasserelektrolyse zur Vermeidung einer Knallgasreaktion erforderlich ist.
• Gemäß einer in 3 dargestellten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle 1 erfolgt in einem Gasabscheider 12 der ersten Halbzelle 2 eine Trennung von Produktgas und Elektrolyt 7, wobei der zurückgewonnene Elektrolyt 8 durch eine interne Rückführungsleitung 13 in das Elektrolytreservoir zurückgeführt wird. Dabei können im Rahmen der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle der oder die Gasabscheider alternativ auch in Funktionseinheit mit dem Elektrolytauslass ausgeführt sein. Durch die Rückführung des Elektrolyten 8 kann der Elektrolytverbrauch signifikant reduziert werden, so dass auch hierdurch die Betriebskosten reduziert werden können. Der Vorteil der internen Rückführung liegt in einem kompakten, platzsparenden Aufbau.
• 4 zeigt eine bezüglich 3 alternative Weiterbildung der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle 1, bei der die Rückführung des in dem Gasabscheider 12 gewonnenen Elektrolyten 7 als externe Rückführung mit einer externen Rückführungsleitung 14 und einem zweiten Einlass 15 ausgeführt ist. Durch eine solche Ausgestaltung der Rückführung wird der Produktgasaufstieg nicht beeinträchtigt. Ebenfalls kann dabei die Rückführungsleitung 14 direkt an den Einlass 4 angeschlossen sein, wodurch die Anzahl der benötigten Einlässe auf eins beschränkt ist.
• Bezugszeichenliste

1

Elektrolysezelle

2

erste Halbzelle

3

zweite Halbzelle

4

Einlass für Elektrolyt

5

Einlass für Elektrolyt

6

Auslass für Elektrolyt

7

Auslass für Elektrolyt

8

Elektrolyt

9

Separator

10

Elektrode

11

Elektrode

12

Gasabscheider

13

interne Rückführungsleitung für Elektrolyt

14

externe Rückführungsleitung für Elektrolyt

15

Einlass für Elektrolyt

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 4285795 [0002]

Claims (6)

1. Elektrolysezelle, umfassend eine Kathodenhalbzelle (2) mit einer Kathode (10), eine Anodenhalbzelle (3) mit einer Anode (11), und einen die beiden Halbzellen (2, 3) voneinander trennenden Separator (9), der für einen im Betriebszustand in den Halbzellen (2, 3) befindlichen Elektrolyten (8) permeabel ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezelle (1) zur Durchführung einer Wasserelektrolyse geeignet ist und in einer ersten (2) der beiden Halbzellen (2, 3) mindestens ein Einlass (4) für Elektrolyt (8) und in der zweiten Halbzelle (3) zumindest ein Auslass (7) für Elektrolyt (8) und kein Einlass für Elektrolyt (8) vorgesehen ist, so dass über den mindestens einen Einlass (4) zugeführter Elektrolyt (8) nach Durchtreten des Separators (9) über den mindestens einen Auslass (7) abführbar ist.
2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten (2) und/oder in der zweiten (3) Halbzelle ein Gasabscheider (12) zur Abscheidung eines Produktgases vom Elektrolyten (8) angeordnet ist und der Gasabscheider (12) an eine Elektrolytrückführung (13, 14) angeschlossen ist, mittels derer in den Gasabscheider (12) eingetretener Elektrolyt (8) in die jeweilige Halbzelle (2) zurückführbar ist.
3. Elektrolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung halbzellenintern oder halbzellenextern verläuft.
4. Elektrolyseur mit einer Vielzahl elektrisch in Reihe und in einem Elektrolytkreislauf hydraulisch parallel geschalteter Elektrolysezellen (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezellen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgeführt sind.
5. Verfahren zum Betrieb einer Elektrolysezelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet ist, umfassend die folgenden Schritte: - Anschließen des mindestens einen Elektrolyteinlasses (4) und des mindestens einen Elektrolytauslasses (7) an einen Elektrolytkreislauf, der über den permeablen Separator (9) geschlossen ist, und Füllen der beiden Halbzellen (2, 3) mit Elektrolyt (8), - Starten eines Elektrolysevorgangs durch Schließen eines elektrischen Stromkreises über Kathode (10) und Anode (11) der Elektrolysezelle (1) sowie einer externen Stromquelle, - Abführen von in den Halbzellen (2, 3) entstehendem Produktgas, während des Elektrolysevorgangs, - Beaufschlagen der ersten Halbzellen (2) mit einem Überdruck verglichen mit der zweiten Halbzelle (3) während des Elektrolysevorgangs, um das Durchtreten des Elektrolyten (8) durch den Separator (9) zu fördern.
6. Verfahren nach Anspruch 5 mit einer Elektrolysezelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der in den oder die Gasabscheider (12) eingetretene Elektrolyt (8) in die jeweilige Halbzelle (2) zurückgeführt wird.

Images